典型亞熱帶熱分層水庫秋季細(xì)菌群落垂直分布

周 菁，余 正，劉開國(guó)，田 野，余小青，劉樂冕，張文靜，楊 軍,*

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；2. 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所水生態(tài)健康研究組，廈門 361021；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 福建省莆田市環(huán)境保護(hù)局，莆田 351100；5. 廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，廈門 361102)

典型亞熱帶熱分層水庫秋季細(xì)菌群落垂直分布

周 菁1,2，余 正2, 3，劉開國(guó)4，田 野1, 2，余小青2，劉樂冕2，張文靜5，楊 軍2,*

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；2. 中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所水生態(tài)健康研究組，廈門 361021；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 福建省莆田市環(huán)境保護(hù)局，莆田 351100；5. 廈門大學(xué)海洋與地球?qū)W院，廈門 361102)

水庫在我國(guó)東南沿海地區(qū)是重要的飲用水水源地，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定起到重要作用。選擇亞熱帶地區(qū)典型的熱分層水庫——福建莆田東圳水庫，于2011年秋季穩(wěn)定分層期，以水體溫度的垂直變化特征為依據(jù)進(jìn)行分層采樣。應(yīng)用PCR-DGGE和克隆測(cè)序的方法研究浮游細(xì)菌群落的垂直分布特征，利用多元統(tǒng)計(jì)分析揭示細(xì)菌群落與熱分層水體理化指標(biāo)之間的關(guān)系。結(jié)果顯示：溶解氧、電導(dǎo)率、葉綠素a、總氮、氨氮及硝氮在上下層水體中的分布有顯著差異，下層缺氧區(qū)細(xì)菌的Shannon-Wiener指數(shù)和DGGE條帶數(shù)明顯高于上層好氧區(qū)，表明東圳水庫熱分層水體中存在明顯的物理、化學(xué)及生物分層現(xiàn)象。測(cè)序結(jié)果表明β-變形菌可能是東圳水庫中占優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌類群，統(tǒng)計(jì)結(jié)果提示溶解氧是顯著影響細(xì)菌群落組成的環(huán)境因子。熱分層水體的物理化學(xué)分層與水體細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，提示水庫生態(tài)學(xué)研究應(yīng)對(duì)水體熱分層給予重視。

水庫型水源地；熱分層；PCR-DGGE；細(xì)菌群落多樣性

水庫是一種介于河流和湖泊間的半人工半自然水體，其生態(tài)系統(tǒng)直接受到人類活動(dòng)調(diào)節(jié)，具有獨(dú)特的生態(tài)學(xué)特征[1]。近十多年來，由于地下水不足和河流污染日趨嚴(yán)重，遠(yuǎn)離大城市的水庫逐漸成為重要的飲用水水源，且呈逐年增加的趨勢(shì)。水庫生態(tài)系統(tǒng)關(guān)系到居民飲水健康、社會(huì)穩(wěn)定、以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[2- 3]，特別是擔(dān)負(fù)著城市飲用水安全的水庫需要更多的監(jiān)測(cè)、評(píng)估和研究。生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和可持續(xù)性一直是水環(huán)境保護(hù)研究的重點(diǎn)[4]。浮游細(xì)菌具有分布廣泛，代謝快，對(duì)環(huán)境變化反應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)[5]，且與水體質(zhì)量特別是水體富營(yíng)養(yǎng)化密切相關(guān)，因此受到越來越多的關(guān)注和研究[6- 11]。水體理化指標(biāo)，如水溫、溶解氧、營(yíng)養(yǎng)鹽等是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)，也是水生態(tài)系統(tǒng)的基本參數(shù)[12- 14]。因此，研究水庫水體浮游細(xì)菌多樣性及其影響因子有利于提高對(duì)水庫生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知水平[15]，可為水庫的評(píng)估和管理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。以往對(duì)水庫型水源地的研究側(cè)重于水平尺度評(píng)價(jià)水庫生態(tài)系統(tǒng)的時(shí)空變化，而對(duì)我國(guó)亞熱帶熱分層水庫細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征與變化的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[2]。典型熱分層水庫隨著水體溫度分層的出現(xiàn)，其他物理化學(xué)參數(shù)也呈現(xiàn)梯度變化，使得不同水層的生境特征差異顯著，這為研究水體浮游細(xì)菌的垂直分布規(guī)律提供了良好的實(shí)驗(yàn)材料。

東圳水庫是典型亞熱帶分層水庫，位于海峽西岸地區(qū)福建省木蘭溪支流延壽溪上，是莆田市唯一一座已建成大型水庫。該水庫于1960年建成，主要用途為灌溉、防洪、發(fā)電及生活和工業(yè)用水，水庫流域面積321 km2，總庫容4.35億m3，水域面積達(dá)17.7 km2，設(shè)計(jì)正常蓄水位80.5 m，相應(yīng)庫容2.83億m3，庫區(qū)多年平均徑流量3.02億m3[16]。

本研究以水體溫度、溶解氧和葉綠素a垂直變化特征為依據(jù)對(duì)東圳水庫進(jìn)行分層采樣，區(qū)別于只研究表層或混合水樣的傳統(tǒng)方式。通過在水體表層-好氧區(qū)-缺氧區(qū)的分層采樣，利用PCR-DGGE和克隆測(cè)序的方法，研究不同水層細(xì)菌群落組成與多樣性；結(jié)合采樣現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的十項(xiàng)理化指標(biāo)，分析細(xì)菌群落與水體理化指標(biāo)特別是氮磷營(yíng)養(yǎng)元素之間的定量關(guān)系，進(jìn)而為水庫型水源地水質(zhì)優(yōu)化管理與飲用水安全保障提供科學(xué)資料。

1 材料和方法

1.1 樣品采集與理化指標(biāo)測(cè)定

2011年10月選擇東圳水庫壩前湖泊區(qū)進(jìn)行垂直分層采樣(圖1)。采樣站最大水深為36 m，現(xiàn)場(chǎng)以1 m為間隔測(cè)定溫度、溶解氧和葉綠素a濃度，并繪制相應(yīng)的垂直變化曲線，據(jù)此確定采樣深度。本研究共選擇采集5個(gè)水層的樣品：0號(hào)樣品采集于表層水體；10號(hào)、20號(hào)樣品采集于溫躍層以上，屬于溶解氧含量較高的好氧區(qū)，其對(duì)應(yīng)的水深分別是10 m和20 m；26號(hào)、33號(hào)樣品采集于溫躍層以下，屬于溶解氧含量低的缺氧區(qū)，對(duì)應(yīng)水深分別是26 m和33 m。每個(gè)采樣深度取5 L水，并快速運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

圖1 東圳水庫采樣點(diǎn)示意圖Fig.1 Sampling location in Dongzhen Reservoir

本研究分析測(cè)定的環(huán)境參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)定完成?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定采用HACH多參數(shù)水質(zhì)測(cè)量?jī)x進(jìn)行，包括溫度、電導(dǎo)率、pH、溶解氧和葉綠素a；總氮、氨氮、硝氮、總磷及磷酸鹽的測(cè)定，則依據(jù)國(guó)家環(huán)保部的標(biāo)準(zhǔn)方法在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行[17]。

1.2 細(xì)菌DNA提取

將水樣搖勻后取1 L，經(jīng)0.22 μm微孔濾膜過濾，將載有細(xì)菌的濾膜保存于-80℃冰箱。取出冰箱中的濾膜，在超凈工作臺(tái)中用滅菌的剪刀將其剪碎，裝入滅菌離心管中，按照試劑盒說明書(E.Z.N.ATMSoil DNA Kit，Omega Bio-Tek，USA)進(jìn)行DNA提取，DNA提純后重懸于80 μL緩沖液中。提取的DNA樣品分裝于小管中，置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 PCR擴(kuò)增和變性梯度凝膠電泳(DGGE)

為研究細(xì)菌群落，選擇16S rDNA通用引物341F(5′-GCC TAC GGG AGG CAG CAG-3′)和907R(5′- CCG TCA ATT CMT TTG AGT TT-3′)作為PCR擴(kuò)增引物，其中引物341F 的5′末端加上結(jié)構(gòu)為5′-CGC CCG CCG CGC CCC GCG CCC GTC CCG CCG CCC CCG CCC-3′ 的GC鏈[18]。PCR反應(yīng)體系為50 μL，包括5 μL 10 × Ex PCR緩沖液(10 mmol/L，Mg2+終濃度為1.5 mmol/L)，4 μL dNTP(10 mmol/L)，0.5 μL Ex Taq酶(5 U/μL)，PCR前后引物各1 μL(10 μmol/L)，36.5 μL ddH2O和2 μL DNA模板。PCR反應(yīng)程序如下：預(yù)變性條件為94℃，5 min；35個(gè)循環(huán)為94℃變性30 s，52℃退火30 s，72℃延伸1 min；最后72℃延伸10 min。

使用美國(guó)Bio-Rad公司的Dcode Universal Mutation Detection System 電泳系統(tǒng)進(jìn)行變性梯度凝膠電泳。本實(shí)驗(yàn)中采用濃度為6%的聚丙烯酰胺，變性劑梯度為35%—55%。電泳緩沖液為1 × TAE，電泳運(yùn)行設(shè)置：恒溫60℃，恒壓100 V，電泳16 h。電泳完畢后，使用SYBR Green I染液染色30 min，經(jīng)ddH2O沖洗后，在Gel Doc EQ imager(Bio-Rad，USA)成像系統(tǒng)下掃描拍照。

1.4 系統(tǒng)發(fā)育分析

從DGGE凝膠上切下清晰、明亮的條帶，置于50 μL ddH2O中4℃過夜。以溶出的DNA作為模板，341F/907R為引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，反應(yīng)條件同1.3。PCR產(chǎn)物純化后連接到pMD18-T載體，隨后轉(zhuǎn)入大腸桿菌DH5α感受態(tài)細(xì)胞中孵育、培養(yǎng)并進(jìn)行藍(lán)白斑篩選。挑取白色克隆進(jìn)行PCR檢測(cè)，將正確插入目的片段的克隆樣品進(jìn)行測(cè)序分析。序列在NCBI數(shù)據(jù)庫(http:www.ncbi.nlm.nih.gov/blast)中進(jìn)行比對(duì)，查找與其最相似的已知序列以確定其分類歸屬。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Quantity One軟件對(duì)DGGE圖譜上的條帶進(jìn)行數(shù)字化處理。以每個(gè)泳道上條帶有無為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建0/1矩陣。利用PRIMER 5.0軟件計(jì)算細(xì)菌群落物種豐度(條帶數(shù)，S)和多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener指數(shù)，H′)；基于Bray-Curtis系數(shù)計(jì)算各采樣水層間細(xì)菌群落組成的相似系數(shù)，并進(jìn)行聚類分析[19]。

利用CANOCO 4.5軟件分析細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的定量關(guān)系。為了顯示環(huán)境變量的梯度變化，采用主成分分析(PCA)對(duì)理化指標(biāo)進(jìn)行分析,除pH外的其他參數(shù)均經(jīng)過ln(x+1)轉(zhuǎn)換。細(xì)菌群落數(shù)據(jù)的除趨勢(shì)對(duì)應(yīng)分析(DCA)結(jié)果顯示最大的梯度長(zhǎng)度小于3，表明符合線性分布，適合采用冗余分析(RDA)來分析細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系。

1.6 序列登錄號(hào)

本研究獲得的細(xì)菌16S rDNA序列在GenBank的登錄號(hào)為：KC282459-KC282465。

2 結(jié)果

2.1 水庫水體理化分層特征

本研究中，采樣站點(diǎn)最大水深為36 m?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定結(jié)果顯示，水體的溫躍層在水深23—26 m處，溫度由23.44℃驟降至17.03℃；溶解氧急劇變化區(qū)在水深23—24 m處，其含量由3.96 mg/L降至0.24 mg/L，水深24 m以下為缺氧區(qū)；葉綠素a含量表現(xiàn)為：0—5 m表層水體中，隨著水深增加而增加，水深10—15 m含量有所下降，15—21 m波動(dòng)上升，而后在溫躍層快速下降至0.2 μg/L左右，并保持平衡；其他指標(biāo)隨水深亦呈梯度變化，且在溫躍層表現(xiàn)最為顯著。東圳水庫5個(gè)采樣水層水體理化參數(shù)見表1。總氮、氨氮、硝氮顯示出較明顯的規(guī)律性，隨著水深增加，總氮及氨氮含量逐漸增加；硝氮含量則在好氧區(qū)0—20 m內(nèi)的水深較穩(wěn)定，20—26 m間有一定下降，此后隨著水深增加，呈逐漸降低趨勢(shì)。

表1 東圳水庫各采樣水層水體環(huán)境參數(shù)

圖2 東圳水庫環(huán)境因子主成分分析(圓點(diǎn)表示采樣點(diǎn)，數(shù)字表示采樣深度)Fig.2 PCA plots of environmental variables from water samples at different depths in Dongzhen Reservoir(Black dots and numbers indicate sampling sites and their water depths, respectively)

主成分分析(PCA)結(jié)果顯示，PCA前兩軸累計(jì)貢獻(xiàn)率為95.8%，其中第一軸貢獻(xiàn)率為91.2%，綜合了絕大多數(shù)信息。對(duì)PCA第一軸貢獻(xiàn)率大的因子分別是：溫度(r=-0.9979)、溶解氧(r=-0.9900)、電導(dǎo)率(r=0.9732)、硝氮(r=-0.9571)、氨氮(r=0.9423)、葉綠素a(r=-0.9004)、總氮(r=0.8693)；而對(duì)第二軸貢獻(xiàn)率較大的是總磷(r=0.5051)。沿PCA第一軸，5個(gè)采樣水層可大致分為2組，第1組包括0 m、10 m和20 m樣品，屬于上層溫度較高的好氧區(qū)；第2組為26 m和33 m樣品，屬于下層低溫的缺氧區(qū)(圖2)。

2.2 細(xì)菌群落組成與多樣性

DGGE指紋圖譜(圖3)共顯示出45個(gè)不同的條帶，其中19個(gè)條帶在5個(gè)樣品中均有出現(xiàn)，占總條帶數(shù)的42%；8個(gè)條帶為單個(gè)水層特有，占總條帶數(shù)的18%，其中2個(gè)條帶僅在0 m出現(xiàn)，1個(gè)條帶僅在10 m出現(xiàn)，3個(gè)條帶僅在26 m出現(xiàn)，而2個(gè)條帶僅在33 m水層處出現(xiàn)。5個(gè)采樣水層的DGGE條帶數(shù)平均值為30.6，其中，20 m處最低，為25；26 m處最高，為38。Shannon-Wiener指數(shù)均值3.409，20 m水層最小，為3.219；26 m水層最大，為3.638。DGGE條帶數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)均呈現(xiàn)底層(26—33 m)顯著高于表層(0-20 m)的特征(圖4)。

圖3 16S rDNA的DGGE指紋圖譜及切膠示意圖Fig.3 The 16S rDNA fingerprinting of bacterial communities by PCR-DGGE. Bands indicated with an arrow head were excised and sequenced

圖4 東圳水庫細(xì)菌群落DGGE條帶數(shù)和Shannon-Wiener指數(shù)垂直分布Fig.4 Vertical distribution of DGGE band number and Shannon-Wiener index of bacterial community in Dongzhen Reservoir

基于Bray-Curtis相似性系數(shù)的聚類分析中，當(dāng)相似度為74.0%時(shí)，5個(gè)水層被劃分為兩組：第1組由上層溫度較高，硝氮含量較高的好氧區(qū)水體0、10 m和20 m樣品組成；第2組是由底層溫度較低，氨氮含量較高的缺氧區(qū)樣品組成，即26 m和33 m樣品(圖5)。

圖5 東圳水庫細(xì)菌群落聚類分析Fig.5 Cluster analysis of bacterial community based on Bray-Curtis similarity in Dongzhen Reservoir

對(duì)DGGE優(yōu)勢(shì)條帶測(cè)序分析，成功獲得7條序列(圖3, 表2)，均為5個(gè)采樣水層所共有。同NCBI數(shù)據(jù)庫比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)與不可培養(yǎng)的細(xì)菌序列相似性較高。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，其中4條序列屬于β-變形菌(Betaproteobacteria)，1條序列屬于α-變形菌(Alphaproteobacteria)，2條序列屬于放線菌(Actinobacteria)。

2.3 細(xì)菌群落與環(huán)境因子的關(guān)系

冗余分析(RDA)結(jié)果顯示，10個(gè)環(huán)境因子共同解釋了74.3%的細(xì)菌群落組成變化，僅溶解氧與第一排序軸呈顯著的相關(guān)關(guān)系(P< 0.01)，其余9個(gè)環(huán)境因子與細(xì)菌群落相關(guān)性不顯著(圖6)。在RDA的前4個(gè)排序軸中，第一軸的特征值最大(0.576)，因此，環(huán)境因子沿第一軸的變化對(duì)浮游細(xì)菌的分布影響最大，而且溶解氧是最顯著的環(huán)境因子。沿第一軸，上層好氧區(qū)水體0 m、10 m和20 m位于RDA雙序圖左側(cè)，而底層缺氧區(qū)26 m和33 m位于右側(cè)。

表2 DGGE測(cè)序條帶序列系統(tǒng)發(fā)育分析

圖6 東圳水庫細(xì)菌群落與環(huán)境因子的RDA排序圖Fig.6 RDA ordination showing the bacterial community composition in Dongzhen Reservoir in relation to the environmental factors**表示P < 0.01

3 討論

3.1 水庫熱分層的形成及其對(duì)水環(huán)境的影響

深水湖泊與水庫的水環(huán)境和水體季節(jié)性熱分層緊密聯(lián)系[20- 21]。典型的亞熱帶深水水庫中，夏秋季節(jié)上層水體溫度明顯高于下層水體，由于水體的熱能傳輸不均勻，冷、熱水體密度的差異導(dǎo)致水體的物理分層，進(jìn)而導(dǎo)致不同水層之間化學(xué)性質(zhì)也產(chǎn)生差異，同時(shí)表現(xiàn)在水體溶解氧在溫躍層的劇烈變化。東圳水庫位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，水溫常年在15℃以上，本次秋季采樣研究中，表層水溫為23.90℃，底層水溫為15.06℃，在水深23—26 m處，水溫由23.44℃驟降至17.03℃。因此，上層水體溫度較高，浮游植物光合作用加強(qiáng)，產(chǎn)生的氧氣釋放到水體，使上層水體溶解氧濃度升高，甚至過飽和；而在下層水體中，則可能發(fā)生與此相反的過程，在下層水體和沉積物中的細(xì)菌分解有機(jī)質(zhì)以及浮游生物遺體等，消耗水體中溶解氧，致使溶解氧濃度下降，進(jìn)而形成缺氧環(huán)境。而熱分層結(jié)構(gòu)的形成和維持穩(wěn)定限制了水體的垂直交換，其強(qiáng)度足以阻斷上層水體向下層水體的耗氧補(bǔ)償[22]。這也從本研究中上、下層水體溶解氧的顯著變化得到了印證，在水深23—24 m處，溶解氧由3.96 mg/L降至0.24 mg/L，由好氧環(huán)境躍變?yōu)槿毖醐h(huán)境。此外，綜合環(huán)境變量的主成分分析(PCA)結(jié)果也證明，東圳水庫水體熱分層使上下不同水層具有多樣的水環(huán)境，這勢(shì)必將影響水庫內(nèi)水化學(xué)(如氧化-還原變化)、物質(zhì)地球化學(xué)循環(huán)，甚至導(dǎo)致水體浮游生物群落結(jié)構(gòu)在不同水層之間存在顯著的差異[20]。

水體的季節(jié)性熱分層對(duì)湖泊水庫氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)轉(zhuǎn)化過程都起著關(guān)鍵性控制或影響作用[23- 24]。東圳水庫的研究表明，隨著水深的增加，總氮和氨氮的含量呈升高趨勢(shì)，而硝氮的含量在好氧區(qū)比較穩(wěn)定，在缺氧區(qū)顯著降低，預(yù)示著在缺氧區(qū)，可能存在強(qiáng)烈的反硝化作用，將硝態(tài)氮還原。磷酸鹽則呈現(xiàn)交替變化現(xiàn)象，總的趨勢(shì)是底層缺氧區(qū)磷酸鹽含量要高于上層好氧區(qū)，這也支持Carpenter的研究模型[21]。大型湖泊或者水庫底部有大量富含磷酸鹽的沉積物，在氧化環(huán)境下沉積物/水界面形成的鐵、錳氧化物會(huì)吸附、沉淀可溶性磷酸鹽，進(jìn)而降低磷的釋放量[25- 26]；但當(dāng)?shù)讓铀w含氧量低時(shí)，鐵、錳和其他重金屬元素被還原[27]，磷酸鹽釋放進(jìn)入水體導(dǎo)致水體富營(yíng)水平升高。來自沉積物的內(nèi)源磷釋放也很好的解釋了當(dāng)外源的磷被有效控制后，水體富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)并沒有立即得到改善[28- 29]。

3.2 熱分層對(duì)浮游細(xì)菌群落的影響

3.3 應(yīng)加強(qiáng)水庫熱分層現(xiàn)象的研究

近百年來，世界各地所建水庫的貯水量在內(nèi)陸水體中占有相當(dāng)?shù)谋戎?。水庫的熱量、溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物收支依其排水方式而異。分層水庫中，大壩的表層出水或者深層出水對(duì)下游河流都有很大的影響。表層放水可以使得大量的浮游生物、營(yíng)養(yǎng)鹽和漂浮植物隨水流進(jìn)入下游河流進(jìn)而對(duì)下游河流產(chǎn)生影響；而深層放水，特別是當(dāng)水庫底層水在缺氧條件下產(chǎn)生有毒的硫化氫時(shí)，將會(huì)對(duì)下游生物群落產(chǎn)生更顯著的負(fù)面影響[34]。王雨春等[22]在百花湖水庫的研究表明，西南地區(qū)深水水庫，在夏季會(huì)出現(xiàn)一定的水體熱分層現(xiàn)象，并導(dǎo)致顯著的水體水化學(xué)如溶解氧分層，進(jìn)而影響水庫水環(huán)境質(zhì)量，而近年來百花湖水庫時(shí)有發(fā)生的季節(jié)性水質(zhì)惡化事件，則是由于秋季溫度突然降低引起的水體分層結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，上下水團(tuán)在垂直交替過程中耗氧和復(fù)氧機(jī)制不平衡所致。夏品華等[35]對(duì)紅楓湖水庫的研究也發(fā)現(xiàn)突發(fā)性水質(zhì)惡化與水體分層失穩(wěn)有關(guān)，在初秋季節(jié)，由于氣溫的驟變，上下層水體發(fā)生等溫對(duì)流，下層富集的還原物質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)鹽向上遷移，還原物質(zhì)氧化消耗水中溶解氧，使水體缺氧，在缺氧和H2S等有毒物質(zhì)的作用下，容易發(fā)生水質(zhì)惡化事件，出現(xiàn)魚蝦等水生生物死亡的現(xiàn)象。浮游細(xì)菌作為水庫生物群落中的關(guān)鍵與優(yōu)勢(shì)類群，對(duì)水體環(huán)境變化十分敏感[7- 10]。本研究表明，浮游細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)具有明顯的垂直分布特征，特別是在亞熱帶熱分層水庫的上層和下層水體間存在顯著差異，提示我們?cè)趯?duì)分層水庫的研究中不應(yīng)只研究表層水體。研究季節(jié)性熱分層水庫細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子變化的關(guān)系可能是解答富營(yíng)養(yǎng)化過程和機(jī)理的關(guān)鍵之一，而溶解氧在今后的研究中也應(yīng)引起足夠的重視。這些都將為水庫富營(yíng)養(yǎng)化治理、藍(lán)藻藻類水華防控、水質(zhì)優(yōu)化管理等提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

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Bacterial community and its relation to environmental variables in a subtropical stratified reservoir for drinking water supply in autumn

ZHOU Jing1, 2，YU Zheng2,3，LIU Kaiguo4， TIAN Ye1, 2，YU Xiaoqing2，LIU Lemian2，ZHANG Wenjing5，YANG Jun2,*

1SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences(Wuhan),Wuhan430074,China2AquaticEcoHealthGroup,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,China3UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4EnvironmentalProtectionBureauofPutianCity,Putian351100,China5CollegeofOceanandEarthSciences,XiamenUniversity,Xiamen361102,China

Fujian reservoirs in southeast China are important water resources for economic and social sustainable development, although few have been studied previously. Dongzhen Reservoir, a typical subtropical stratified reservoir in Fujian, was chosen for investigation of bacterial distribution, composition and diversity in autumn 2011. As the only built large reservoir in Putian City, it plays an important role in irrigation, flood control, hydroelectric power, and water supply. Dongzhen Reservoir shows an obvious phenomenon of water thermal stratification during summer and autumn, thus creates a unique gradient of environmental variables along the water column. We investigated the bacterial community and its relation to environmental variables in this study for a better understanding of vertical distribution of bacterial community and the primary environmental drivers in a stratified reservoir. Five water samples were collected from five different depths according to the vertical changes of temperature. Both PCR-DGGE and sequencing were used to investigate the bacterial community and diversity. Moreover, physical and chemical parameters were measured according to the national standard methods. Multivariate statistical techniques were used to examine the relationship between bacterial community and environmental variables. Principal component analysis (PCA) clearly showed that water temperature, dissolved oxygen (DO), chlorophyll a (Chl a), total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH4-N), nitrite/nitrate nitrogen (NOx-N) and electric conductivity of the upper aerobic zone were differed from those of the deeper anoxic zone. Both the number of DGGE bands and the Shannon-Wiener index of the deeper anoxic zone were higher than those of the upper aerobic zone. Further, two groups were distinguished by the cluster analysis of bacterial communities based on the Bray-Curtis similarity. Thus, Dongzhen Reservoir presented an obviously physical, chemical, and biological stratified phenomenon. Seven bands that common to all sampling depths were extracted and sequenced, and among which four were identified as Betaproteobacteria, indicating that Betaproteobacteria were the most dominant taxa in Dongzhen Reservoir in autumn. Bacterial community composition and diversity differed greatly among different sampling depths, and these differences were closely related to the physical and chemical stratification of the water body. Redundancy analysis (RDA) demonstrated DO was the significant environmental variable that shaping the bacterial community and diversity (P< 0.01). Therefore, we should pay more attention to DO and thermal stratification of reservoirs for sustainable reservoir management.

reservoir for drinking water supply; thermal stratification; PCR-DGGE; bacterial diversity

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃(2012CB956103); 中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程方向項(xiàng)目(KZCX2-YW-QN401); 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(31172114); 福建省杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2012J06009)

2013- 02- 03; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2014- 03- 13

10.5846/stxb201302030226

*通訊作者Corresponding author.E-mail: jyang@iue.ac.cn

周菁，余正，劉開國(guó)，田野，余小青，劉樂冕，張文靜，楊軍.典型亞熱帶熱分層水庫秋季細(xì)菌群落垂直分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2014,34(21):6205- 6213.

Zhou J，Yu Z，Liu K G， Tian Y，Yu X Q，Liu L M，Zhang W J，Yang J.Bacterial community and its relation to environmental variables in a subtropical stratified reservoir for drinking water supply in autumn.Acta Ecologica Sinica,2014,34(21):6205- 6213.